“计算机组成原理”是计算机专业的一门核心课程。传统的计算机组成原理实验是在指令格式、寻址方式、运算器、控制器、存储器等都相对固定的情况下进行,学生主要进行功能实现和验证,缺少自主设计和创新过程。 为改变这种状况,须更新现有的计算机组成原理实验系统。采用FPGA芯片作为载体,使用EDA开发工具,用硬件描述语言实现不同的硬件逻辑,再与硬件的输入输出接口线路相连,最终组成一台可用于组成实验教学的完整计算机系统。这期间学生将掌握组成原理实验系统的各个部件的功能及其相互之间如何协作。本实验系统能够让学生完成有关计算机组成原理的部件实验和整机实验:部件实验包括加法器、乘法器、除法器、算术逻辑运算单元、控制器、存储器等;整机实验可以独立实现各部件的功能描述。该系统能够帮助学生巩固课堂知识并增强设计能力。 为实现上述目的,依据EDA技术的开发流程和方法,建立了一个完整的体系,其中包括控制模块、内存模块、运算器模块、通用寄存器组及其控制部件、程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、时序部件、数据控制部件、状态值控制部件,以及为帮学生调试而专门设计的输出观察部件。在Quartus Ⅱ开发环境下,使用Altera公司FPGA芯片,采用VHDL,语言设计并实现了上述模块。经过仿真测试,所实现的各功能模块作为独立部件时能完成各自功能:而将这些部件组合起来的整机系统,可以执行程序段和进行各种运算处理,达到了设计要求。
上传时间: 2013-06-01
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信号与信息处理是信息科学中近几年来发展最为迅速的学科之一,随着片上系统(SOC,System On Chip)时代的到来,FPGA正处于革命性数字信号处理的前沿。基于FPGA的设计可以在系统可再编程及在系统调试,具有吞吐量高,能够更好地防止授权复制、元器件和开发成本进一步降低、开发时间也大大缩短等优点。然而,FPGA器件是基于SRAM结构的编程工艺,掉电后编程信息立即丢失,每次加电时,配置数据都必须重新下载,并且器件支持多种配置方式,所以研究FPGA器件的配置方案在FPGA系统设计中具有极其重要的价值,这也给用于可编程逻辑器件编程的配置接口电路和实验开发设备提出了更高的要求。 本论文基于IEEE1149.1标准和USB2.0技术,完成了FPGA配置接口电路及实验开发板的设计与实现。作者在充分理解IEEE1149.1标准和USB技术原理的基础上,针对Altcra公司专用的USB数据配置电缆USB-Blaster,对其内部工作原理及工作时序进行测试与详细分析,完成了基于USB配置接口的FPGA芯片开发实验电路的完整软硬件设计及功能时序仿真。作者最后进行了软硬件调试,完成测试与验证,实现了对Altera系列PLD的配置功能及实验开发板的功能。 本文讨论的USB下载接口电路被验证能在Altera的QuartusII开发环境下直接使用,无须在主机端另行设计通信软件,其兼容性较现有设计有所提高。由于PLD(Programmable Logic Device)厂商对其知识产权严格保密,使得基于USB接口的配置电路应用受到很大限制,同时也加大了自行对其进行开发设计的难度。 与传统的基于PC并口的下载接口电路相比,本设计的基于USB下载接口电路及FPGA实验开发板具有更高的编程下载速率、支持热插拔、体积小、便于携带、降低对PC硬件伤害,且具备其它下载接口电路不具备的SignalTapII嵌入式逻辑分析仪和调试NiosII嵌入式软核处理器等明显优势。从成本来看,本设计的USB配置接口电路及FPGA实验开发板与其同类产品相比有较强的竞争力。
上传时间: 2013-04-24
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波前处理机是自适应光学系统中实时信号处理和运算的核心,随着自适应光学系统得发展,波前传感器的采样频率越来越高,这就要求波前处理机必须有更强的数据处理能力以保证系统的实时性。在整个波前处理机的工作流程中,对CCD传来的实时图像数据进行实时处理是第一步,也是十分重要的一步。如果不能保证图像处理的实时性,那么后续的处理过程都无从谈起。因此,研制高性能的图像处理平台,对波前处理机性能的提高具有十分重要的意义。 论文介绍了本研究课题的背景以及国内外图像处理技术的应用和发展状况,接着介绍了传统的专用和通用图像处理系统的结构、特点和模型,并通过分析DSP芯片以及DSP系统的特点,提出了基于DSP和FPGA芯片的实时图像处理系统。该系统不同于传统基于PC机模式的图像处理系统,发挥了DSP和FPGA两者的优势,能更好地提高图像处理系统实时性能,同时也最大可能地降低成本。 论文根据图像处理系统的设计目的、应用需求确定了器件的选型。介绍了主要的器件,接着从系统架构、逻辑结构、硬件各功能模块组成等方面详细介绍了DSP+FPGA图像处理系统硬件设计,并分析了包括各种参数指标选择、连接方式在内的具体设计方法以及应该注意的问题。 论文在阐述传输线理论的基础上,在制作PCB电路板的过程中,针对高速电路设计中易出现的问题,详细分析了高速PCB设计中的信号完整性问题,包括反射、串扰等,说明了高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性问题及其解决方法,进行了一定的理论和技术探讨和研究。 论文还介绍了基于FPGA的逻辑设计,包括了图像采集模块的工作原理、设计方案和SDRAM控制器的设计,介绍了SDRAM的基本操作和工作时序,重点阐述系统中可编程器件内部模块化SDRAM控制器的设计及仿真结果。 论文最后描述了硬件系统的测试及调试流程,并给出了部分的调试结果。 该系统主要优点有:实时性、高速性。硬件设计的执行速度,在高速DSP和FPGA中实现信号处理算法程序,保证了系统实时性的实现;性价比高。自行研究设计的电路及硬件系统比较好的解决了高速实时图像处理的需求。
上传时间: 2013-05-30
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随着以太网技术的不断发展,网络的传输速度已经由最初的10M发展到现在的10,000M。用可编程逻辑器件(FPGA)实现以太网控制器与其它SOC系统的互连成为当前的研究热点。本文阐述了MAC层的FPGA设计、仿真及测试;介绍了整个系统的内部结构、模块划分,并对各个模块的设计过程进行了详细阐述,接着介绍了开发环境和验证工具,同时给出测试方案、验证数据、实现结果及时序仿真波形图。 对MAC层的主要功能模块如:发送模块、接收模块、MAC流程控制模块、寄存器模块、MⅡ接口模块和主机接口模块以及CRC,CSMA/CD,HASH表等算法给出了基于FPGA及硬件描述语言的解决方法。 本课题针对以下三个方面进行了研究并取得一定的成果: 1)FPGA开发平台的硬件实现。选用Xilinx公司的XC3S1000-FT256-4-C和ATMEL公司的ARM9200作为测试的核心器件,采用LXT971芯片作为物理层芯片,AT91RM9200作为数据输入源和双blockram作为帧缓存搭建FPGA硬件验证开发平台。 2)基于FPGA实现以太网控制器。用VerilogHDL语言构建以太网控制器,实现CSMA/CD协议、10M/100M自适应以及与物理层MⅡ接口等。 3)采用片上系统通用的WS接口。目的是便于与具有通用接口的片上系统互连,也为构建SOC上处理器提供条件。 本论文实现了一个基于WS总线接口可裁减的以太网MAC控制器IP软核,为设计具有自主知识产权的以太网MAC控制器积累了经验。同时,为与其它WS接口的控制器实现直接互连创造了条件,对高层次设计这一先进ASIC设计方法也有了较为深入的认识。
上传时间: 2013-07-17
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I2C(Inter Integrated Circuits)是Philips公司开发的用于芯片之间连接的串行总线,以其严格的规范、卓越的性能、简便的操作和众多带I2C接口的外围器件而得到广泛的应用并受到普遍的欢迎。 现场可编程门阵列(FPGA)设计灵活、速度快,在数字专用集成电路的设计中得到了广泛的应用。本论文主要讨论了如何利用Verilog/FPGA来实现一个随机读/写的I2C接口电路,实现与外围I2C接口器件E2PROM进行数据通信,实现读、写等功能,传输速率实现为100KBps。在Modelsim6.0仿真软件环境中进行仿真,在Xilinx公司的ISE9.li开发平台上进行了下载,搭建外围电路,用Agilem逻辑分析仪进行数据采集,分析测试结果。 首先,介绍了微电子设计的发展概况以及设计流程,重点介绍了HDL/FPGA的设计流程。其次,对I2C串行总线进行了介绍,重点说明了总线上的数据传输格式并对所使用的AT24C02 E2PROM存储器的读/写时序作了介绍。第三,基于Verilog _HDL设计了随机读/写的I2C接口电路、测试模块和显示电路;接口电路由同步有限状态机(FSM)来实现;测试模块首先将数据写入到AT24C02的指定地址,接着将写入的数据读出,并将两个数据显示在外围LED数码管和发光二极管上,从而直观地比较写入和输出的数据的正确性。FPGA下载芯片为Xilinx SPARTAN Ⅲ XC3S200。第四,用Agilent逻辑分析仪进行传输数据的采集,分析数据传输的时序,从而验证电路设计的正确性。最后,论文对所取得的研究成果进行了总结,并展望了下一步的工作。
上传时间: 2013-06-27
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伴随着多媒体显示和传输技术的发展,人们获得了越来越高的视听享受。从传统的模拟电视,到标清、高清、全高清。与显示技术发展结伴而行的是显示接口技术的发展,从模拟的AV端子,S-Video和VGA接口,到数字显示的DVI接口,技术上经历了一个从模拟到数字,从并行到串行,从低速到高速的发展过程。 HDMI是最新的高清晰度多媒体接口,它的规范由Silicon Image等七家公司提出,具有带宽大,尺寸小,传输距离长和支持正版保护等功能,符合当今技术的发展潮流,一经推出,就获得了巨大的成功。成为平板显示器、高清电视等设备的标准接口之一,并获得了越来越广泛的应用。 从上世纪80年代XILINX发明第一款FPGA芯片以来,FPGA就以其体系结构和逻辑单元灵活,运算速度快,编程方便等优点广泛应用与IC设计、系统控制、视频处理、通信系统、航空航天等诸多方面。 本文利用ALTERA的一款高端FPGA芯片EP2S180F1508C3为核心,配合Silicon Image的专用HDMI接收芯片搭建了一个HDMI的接收显示平台。针对HDMI带宽宽,数据量大的特点,使用了新型的DDR2 SDRAM作为视频信号的输入和输出缓冲。在硬件板级设计上,针对HDMI和DDR2的相关高速电路,采用了一系列的高速电路设计方法,有效的避免了信号的反射,串扰等不良现象。同时在对HDMI规范和DDR2 SDRAM时序规范的深入研究的基础上,在ALTERA的开发平台QUARTUSII上编写了系统的顶层模块和相关各功能子模块,并仿真通过。 论文的主要工作和创新点表现在以下几个方面: 1、论文研究了最新的HDMI接口规范和新型存储器件DDR2的时序规范。 2、论文搭建的整个系统相当庞大,涉及到相关的规范、多种芯片的资料、各种工具软件的使用、原理图的绘制和PCB板的布局布线,直至后期的编程仿真,花费了作者大量的时间和精力。 3、论文首次使用FPGA来处理HDMI信号且直接驱动显示器件,区别于-般的ASIC方案。 4、论文对高速电路特别是的DDR2布局布线,采用了一系列的专门措施,具有一定的借鉴价值。
上传时间: 2013-07-28
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本课题深入分析了GPS软件接收机基于FFT并行捕获算法并详细阐述了其FPGA的实现。相比于其它的捕获方案,该方案更好地满足了信号处理实时性的要求。 论文的主体部分首先简单分析了扩频通信系统的基本原理,介绍了GPS系统的组成,详细阐述了GPS信号的特点,并根据GPS信号的组成特点介绍了接收机的体系结构。其次,通过对GPS接收机信号捕获方案的深入研究,确定了捕获速度快且实现复杂度不是很高的基于FFT的并行捕获方案,并对该方案提出了几点改进的措施,根据前面的分析,提出了系统的实现方案,利用MATLAB对该系统进行仿真,仿真的结果充分的验证了方案的可行性。接着,对于捕获环节中的核心部分—FFT处理器,设计中没有采用ALTERA提供的IP核,独立设计实现了基于FPGA的FFT处理器,并通过对一组数据在MATLAB中运算得到结果和FPGA输出结果相对比,可以验证该FFT处理器的正确性。再次重点分析了GPS接收机并行捕获部分的FPGA具体实现,通过捕获的FPGA时序仿真波形,证明了该系统已经能成功地捕获到GPS信号。最后,对全文整个研究工作进行总结,并指出以后继续研究的方向。 本课题虽然是对于GPS接收机的研究,但其原理与GALILEO、北斗等导航系统的接收机相近,因此该课题的研究对我国卫星导航事业的发展起到了积极的推动作用。
上传时间: 2013-08-06
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随着电子技术和计算机技术的飞速发展,视频图像处理技术近年来得到极大的重视和长足的发展,其应用范围主要包括数字广播、消费类电子、视频监控、医学成像及文档影像处理等领域。当前视频图像处理主要问题是当处理的数据量很大时,处理速度慢,执行效率低。而且视频算法的软件和硬件仿真和验证的灵活性低。 本论文首先根据视频信号的处理过程和典型视频图像处理系统的构成提出了基于FPGA的视频图像处理系统总体框图;其次选择视频转换芯片SAA7113,完成视频图像采集模块的设计,主要分三步完成:1)配置视频转换芯片的工作模式,完成视频转化芯片SAA7113的初始化:2)通过分析输出数据流的格式标准,来识别奇偶场信号、场消隐信号和有效行数据的开始和结束信号三种控制信号,并根据控制信号,用Verilog硬件描述语言编程实现图像数据的采集;3)分析SRAM的读写控制时序,采用两块SRAM完成图像数据的存储。然后编写软件测试文件,在ISE Simulator仿真环境进行程序测试与运行,并分析仿真结果,验证了数据采集和存储的正确性;最后,对常用视频图像算法的MATLAB仿真,选择适当的算子,采用工具MATLAB、System Generator for DSP和ISE,利用模块构建方式,搭建视频算法平台,实现图像平滑滤波、锐化滤波算法,在Simulink中仿真并自动生成硬件描述语言和网表,对资源的消耗做简要分析。 本论文的创新点是采用新的开发环境System Generator for DSP实现视频图像算法。这种开发视频图像算法的方式灵活性强、设计周期短、验证方便、是视频图像处理发展的必然趋势。
上传时间: 2013-05-20
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通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是广泛使用的串行传输协议。串行外设用到异步串行接口一般采用专用集成电路实现。但是这类芯片一般包含许多辅助模块,而时常不需要使用完整的UART的功能和辅助功能,或者当在FPGA上设计时,需要将UART功能集成到FPGA内部而不能使用芯片。蓝牙主机控制器接口则是实现主机设备与蓝牙模块之间互操作的控制部件。当在使用蓝牙设备的时候尤其是在监控场所,接口控制器在控制数据与计算机的传输上就起了至关重要的作用。 论文针对信息技术的发展和开发过程中的实际需要,设计了一个蓝牙HCI-UART(Host Controller Interface-Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)控制接口的模块。使用VHDL将其核心功能集成,既可以单独使用,也可集成到系统芯片中,并且整个设计紧凑、稳定且可靠,其用途广泛,具有一定的使用价值。 本设计采用TOP-DOWN设计方法,整体上分为UART接口和蓝牙主机控制器接口两部分。首先根据UART和蓝牙主机控制器接口的实现原理和设计指标要求进行系统设计,对系统划分模块以及各个模块的信号连接;然后进行模块设计,设计出每个模块的功能,并用VHDL语言编写代码来实现模块功能;再使用ISE8.2I自带的仿真器对各模块进行功能仿真和时序仿真;最后进行硬件验证,在Virtex-II开发板上对系统进行功能验证。实现了发送、接收和波特率发生等功能,验证了结果,表明设计正确,功能良好,符合设计要求。
上传时间: 2013-07-13
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LED显示屏作为一项高新科技产品正引起人们的高度重视,它以其动态范围广,亮度高,寿命长,工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者,现已广泛应用于广告、证券、交通、信息发布等各方面,且随着全彩屏显示技术的日益完善,LED显示屏有着广阔的市场前景。 本文主要研究的对象为全彩色LED同步显示屏控制系统,提出了一个系统实现方案,整个系统分三部分组成:DVI解码电路、发送系统以及接收系统。DVI解码模块用于从显卡的DVI口获取视频源数据,经过T.D.M.S.解码恢复出可供LED屏显示的红、绿、蓝共24位像素数据和一些控制信号。发送系统用于将收到的数据流进行缓存,经处理后发送至以太网芯片进行以太网传输。接收系统接收以太网上传来的视频数据流,经过位分离操作后存入SRAM进行缓存,再串行输入至LED显示屏进行扫描显示。然后,从多方面论述了该方案的可行性,仔细推导了LED显示屏各技术参数之间的联系及约束关系。 本课题采用可编程逻辑器件来完成系统功能,可编程逻辑器件具有高集成度、高速度、在线可编程等特点,不仅可以满足高速图像数据处理对速度的要求,而且增加了设计的灵活性,不需修改电路硬件设计,缩短了设计周期,还可以进行在线升级。
上传时间: 2013-04-24
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